低噪声回波测距系统的电路设计与系统分析

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2005.01.025 第27卷第4期 北京科技大学学报 Vol.27 No.4 2005年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2005 低噪声回波测距系统的电路设计与系统分析 陈先中”王伟》张争) 程素森) 1)北京科技大学信息学院，北京1000832)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083 摘要描述了超声波脉冲回波测距系统的基本组成，重点研究了超声波测距系统中的低 噪声问题，设计了分时和分区的开关隔离式超声波发射和接收电路，彻底切断了发射电路和 其他电干扰信号对接收电路的影响、低噪声“能量球”的设计，极大地提高了回波的信噪比， 实现了超声波低功率发射条件下的信号稳定接收，同时介绍了软件滤波器在超声波的智能 化低噪声处理方面的应用 关键词超声波：能量球：低噪声：发射接收电路 分类号TM938.82 超声波测距技术在工业领域中具有重要的 冲，根据发射和接收脉冲的时间差即可测距.这 地位.从普通的污水处理过程到固体料位的在线 种设计电路在工业现场实际使用时，由于收发电 连续监测，都有着十分广泛的应用，在脉冲反射 路中混入了多种电噪声信号，加上有时真实目标 波测距系统中，目标测距的方法包括：从换能 物回波信号较弱，所以经过运放和检波整形，在 器向目标发射至少一个高频能量的脉冲：然后换 回波区域会出现多个矩形脉冲，使系统难以识别 能器接收从目标方向发射回来的能量，形成至少 有效脉冲信号的位置.因此该方法一般只适合在 一个回波信号：接着在一定间隔内对返回信号的 8m以内较为理想的工况条件下测距. 幅值进行反复采样形成一个数字化的数据库，该 对于超过8m以上的测量范围，现有的方法 数据库把回波信号幅值与系统记录的时间联系 是进一步提高变压器原边的供电电压，或者增加 起来：最后，从数据库中找到至少一个目标区域， 变压器的匝数来提高输出功率，以增加探头的激 使在这个目标区域里，将回波信号从背景噪声中 励能量，使最远测距达40m.其缺点是：伴随激 识别出来 励能量的增加，变压器两端的电压噪声、激励电 压瞬间启动的尖脉冲噪声也增加，探头在回波目 1原理分析 标区内信噪比下降：同时由于电压的加大，需要 增大变压器的功率，增加探头的复合共振层数， 现有的超声波物位测量一般采用标准芯片 系统结构设计趋于复杂，系统体积也相应增大， 作为控制器4，由超声波发射电路激励超声波换 为了保持探头原有的体积不变，激励电压不 能器产生超声发射信号，经过放大、滤波、检波等 变，笔者通过实验设计了一套低噪声超声波发射 超声信号处理完成一次测距任务.标准芯片为标 与接收电路，这种收发电路设计的思路是彻底切 准集成电路，可以产生一系列矩形脉冲波，脉冲 断发射环节的电噪声对接收电路的影响，以达到 波经过变压器放大，在副边输出高压，驱动探头 “零噪声”输入，通过提高后继超声信号接收环节 工作.超声信号的回波经反射后由回波接收电路 的信噪比来增强电路的测距能力.事实上，任何 接收.此时回波信号为一个尖脉冲，经过电路的 低频、中频或高频电路及电子器件，只要通电就 整形，成为一个脉冲宽度为几十个纳秒的矩形脉 存在电噪声，但本设计关断了部分噪声电源，直 收稿日期：200410-07修回日期：20041207 接消除了产生电噪声信号的基础.该电路的设计 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.60472095) 明显改善了测量信号的接收质量，在不改变原有 作者简介：陈先中(1966-)，男，副教授，博士 探头的基础上，增加了探头的测量距离

第 2 7 卷 第 4 期 2 0 0 5 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r . a l o f U n iv e r s iyt o f s e ie n c e a n d 孔e h n o lo gy B e ij 恤 g 、 b l 一 2 7 N 0 . 4 A u g . 2 0 0 5 低噪声回波测距系统的 电路设计 与系统分析 陈先 中 ” 王 伟 ” 张 争 ” 程素森 ” l)北京 科技 大学信 息学 院 , 北 京 10 0 0 8 3 2 )北 京科技 大学 冶金与 生态工程 学 院 , 北京 10 0 0 8 3 摘 要 描 述 了超 声波脉 冲回 波测距 系统 的基本 组成 , 重 点研 究 了超 声波测 距系 统 中的低 噪 声 问题 , 设 计 了分 时和 分区 的开关 隔离式 超声 波发射 和接 收 电路 , 彻底 切 断了发 射 电路 和 其他 电干扰信 号对 接收 电路 的影 响 . 低 噪声 “ 能量球 ” 的 设计 , 极大 地提 高 了回波 的信噪 比 , 实现 了超 声波 低功 率发射 条件 下 的信 号稳 定接 收 . 同时 介绍 了软件滤 波器 在超 声波 的智 能 化低 噪声 处理 方面 的应用 . 关键 词 超声波 ; 能量 球 ; 低 噪 声 ; 发 射接 收 电路 分类 号 T M 9 3 8 . 82 超 声波 测 距 技 术 在工 业 领 域 中具 有重 要 的 地位 . 从 普通 的污 水处 理过程 到 固体料 位 的在线 连续 监测 , 都 有着 十分 广 泛 的应用 . 在脉 冲 反射 波测 距 系统 中 , 目标 测 距 的方 法包 括` 卜刀: 从 换能 器 向 目标 发射至 少一 个 高频 能量 的脉 冲 ; 然 后换 能器接收 从 目标 方 向发射 回来 的能量 , 形成 至少 一个 回波信 号 ; 接着 在 一定 间隔 内对 返 回信 号的 幅值进 行 反复采 样形 成一个 数字 化 的数据 库 , 该 数 据 库 把 回波 信 号 幅值 与 系统 记 录 的 时 间联 系 起 来 ; 最后 , 从 数据库 中找到至 少一个 目标 区域 , 使 在这 个 目标 区 域 里 , 将 回波信 号从 背景 噪 声中 识 别 出来 . 1 原理 分 析 现 有 的超 声波 物 位 测 量 一般 采 用 标 准 芯 片 作 为控 制器 阵,3] , 由超 声波 发射 电路 激励 超 声波 换 能器 产 生超 声发射 信号 , 经过 放 大 、 滤 波 、 检 波等 超 声信 号处理 完成 一 次测距 任务 . 标 准芯 片为 标 准 集成 电路 , 可 以产 生一 系 列矩 形脉 冲波 , 脉冲 波 经过 变压 器 放大 , 在副 边 输 出 高压 , 驱动 探 头 工 作 . 超 声信 号 的回波 经 反射后 由回波 接 收 电路 接 收 . 此 时 回波 信 号为 一个 尖脉 冲 , 经 过 电路 的 整 形 , 成 为一个 脉冲 宽度 为几十 个纳 秒 的矩 形 脉 收 稿 日期 : 加O今10刊) 7 修 回 日期 : 20 0 4 一 12刁7 基 金项 目 : 国家 自然科 学 基金资助 项 目N( 氏 60 47 20 95 ) 作 者简介 : 陈 先中 ( 1% 6一 ) , 男 , 副 教授 , 博士 冲 , 根据 发射 和 接 收脉 冲 的时 间差 即可 测距 . 这 种 设计 电路 在工业 现场 实 际使用 时 , 由于 收发 电 路 中混 入 了多种 电噪 声信号 , 加上有 时真 实 目标 物 回波 信 号较 弱 , 所 以经 过运 放 和检 波整 形 , 在 回波区 域会 出现 多个矩 形脉 冲 , 使系 统难 以识 别 有 效脉冲 信号 的位 置 . 因此 该方 法一般 只适 合在 s m 以 内较 为理想 的工况 条件 下 测距 . 对 于 超过 s m 以上 的测 量范 围 , 现有 的方法 是进 一步 提高 变压 器原边 的供 电电压 , 或者 增加 变压 器 的匝数 来提 高输 出功率 , 以增加 探头 的激 励 能量侈, , 使最 远测 距 达 40 m . 其缺 点 是 : 伴 随激 励 能量 的增 加 , 变 压器 两端 的 电压 噪 声 、 激励 电 压瞬 间启 动 的尖脉冲 噪 声也增 加 , 探头在 回波 目 标 区 内信 噪 比下 降 ; 同时 由于 电压 的加 大 , 需要 增 大变 压器 的功 率 , 增 加探 头 的复 合 共振 层数 , 系统 结构 设 计趋 于 复杂 , 系 统 体积 也相 应增 大 , 为了保 持探 头 原有 的体 积不 变 , 激 励 电压 不 变 , 笔者通 过实验 设计 了一套 低 噪声超声 波发 射 与接 收 电路 . 这 种 收发 电路设 计 的思路是 彻底 切 断发射 环节 的 电噪 声对 接 收 电路 的影 响 , 以达 到 “ 零 噪声 ” 输入 , 通 过提 高后继 超 声信号接 收环 节 的信 噪 比 来增 强 电路 的 测距 能力 . 事 实上 , 任 何 低 频 、 中频 或 高频 电路 及 电子器 件 , 只要 通 电就 存 在 电噪声 , 但 本 设计 关 断 了部分 噪 声 电源 , 直 接 消除 了产生 电噪 声信号 的基 础 . 该 电路 的设计 明显 改善 了测 量信 号的接 收质 量 , 在不 改变 原有 探 头的 基础 上 , 增 加 了探 头 的测量 距 离 . DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 04. 025

VoL.27 No.4 陈先中等：低噪声回波测距系统的电路设计与系统分析 ·489· 2电路设计 C 21低噪声电路设计原理图 对于探头单发单收的超声波电路，考虑高低 压电路和高低频电路混合设计带来的电噪声干 U 扰，低噪声电路设计原理如图1 S3 图2超声波发射和接收时序图 Fig.2 Time sequence diagram of the ultrasonic emitter and re- ceiver 始高频振荡，原边振荡电压产生的激励信号经高 图1低噪声超声波收发电路原理图 频变压器副边，传递给高能储能元件2，经过时间 Fig.1 Scheme of the emitter and receiver in the ultrasonic circuit T,高能储能元件充电至预定值.充电电压幅值 with a lower noise 与能量储存单元的储存容量是由控制器C确定 设计电路中包含四个独立的回路单元 的，它与S1闭合的时间成正比 回路1设计为高频发射电路，为自激振荡控 当储能电压达到预定电压时，S1断开，停止 制方式，包括供电电源，自激振荡器单元1，高频 振荡.然后在时间T2开始时，S2提供一个振荡激 开关S1,变压器L.采用供电电源，供电电压为5 励信号，由储能元件2通过外激振荡器3向探头 V,通过高频开关S1和变压器回路耦合，可以间 提供振荡能量，发射时间为T,激励探头产生超 接控制回路2的大电流.采用高频变压器绕组， 声波发射信号，该激励频率与探头的固有频率 其体积小，能量转换效率高，自激振荡的时间由 相关，一般在声频范围内.激励的脉冲数目N为 控制器C确定. T∫形成稳定的激励后，有一个超声波的盲区等 回路2为感应充电回路，由变压器向高储能 待时间后，S1和S2断开，S3闭合，在预定的测量 元件2持续充电，充电时间与回路1自激振荡时 时间T,内，接收电路开始接收回波信号. 间相同.充电的幅值和能量由测量的距离和探头 当完成信号发射和接收处理后，完成一次测 有效负荷决定，应选尽可能低的电压幅值，保证 量周期.下一次的循环周期，再重新发射和接收 足够的驱动电压即可， 信号. 回路3为高能放电激励单元，开关$2通过外 图2中，高压储能元件可以由电感、电容或 激式振荡器3向探头提供持续的能量，此时激励 其他储能元件组成.开关S1的特征为高频开关 电压为短时可控的高压脉冲.开关$2可以用绝 元件，频率高低的选择与激励的效率、激励单元 缘场效应管作为开关，利用电感在开关瞬间开合 体积有关系，频率越高，则激励单元体积越小.开 的过程中电流保持不变的原理对探头进行高压 关$2的特征为中频开关元件，可以根据探头的 激励，通过调整电感参数及控制信号的频率，达 激励频率，选择$2的频率值，一般数值选择在该 到探头的共振频率，电感两端激励电压可以超过 探头的频率值附近.实践中可以灵活地采用可控 300V以上，激励探头后振幅可达1500V左右. 硅、高速功率三极管或场效应管，进行激励，可以 回路4为信号接收单元，开关S3采用低频周 达到预期的效果.开关S3的特征为一个低频开 期工作模式，周期性地将接收信号送入放大处理 关元件，可以采用模拟开关，控制接收的时间和 电路.控制器C采用单片机控制单元，根据采集 接收的区域.如CD4066,由于是低频工作元件， 回波模拟信号的幅值变化，分别反馈控制三个独 不会产生高频电磁干扰，因此接收信号无杂波和 立回路的开关， 电磁噪声的干扰. 22超声波发射和接收时序分析 本设计为三路隔离的电路单元组合，由于放 超声波发射和接收时序如图2 电回路1可以被开关彻底停止供电，理论上回路 在时间段T开始时，S1闭合，振荡回路1开 1和回路2的电噪声为“零噪声”，此时根据控制

V UI . 2 7 N 0 . 4 陈先 中等 : 低噪 声 回 波测 距 系统 的 电路设计 与 系统 分析 一 4 8 9 - 2 电路 设 计 .2 1 低 噪声 电 路设 计 原理 图 对 于 探 头单 发单 收 的超 声波 电路 , 考 虑 高低 _ _ 了 5 1 竺}一刁 认 卜一一卜一 囚ō一ū 压 电路 和 高 低 频 电路 混 合 设 计 带 来 的 电 噪 声干 扰 , 低 噪声 电路 设计 原理 如 图 1 . 「 - - - - - - - 一侄丑一芍 - 一 飞 一 一寸洲一 j 二l I l l i i 二 十 色犯写勺暇万旦理 勺衬 L { 好’ 宁娜 L 图 2 超声 波发 射和接 收 时序图 F ig . Z T加 e s e q u e n e e d i a g ar m o f t h e u l t ar s o n i e e m i t e r a n d r e - C e 】V e r 图 1 低噪 声超 声波收 发 电路原 理图 F i.g l S e h e m e o f t h e e m i t e r a n d 代e e iv e r i n th e u lt ar , o n i c e icr u it w i th a 1 0 w e r n o is e 设计 电路 中包含 四个 独 立 的回 路 单元 . 回路 1 设计 为高 频发 射 电路 , 为 自激振 荡 控 制方 式 , 包 括 供 电电源 , 自激振 荡器 单 元 l , 高 频 开 关 lS , 变 压器 L . 采 用供 电 电源 , 供 电 电压 为 5 V , 通 过 高频 开 关 lS 和变 压 器 回路 祸 合 , 可 以间 接 控 制 回路 2 的 大 电流 . 采 用 高频 变 压器 绕 组 , 其体积 小 , 能量 转 换 效率 高 , 自激 振 荡 的时 间 由 控 制器 C 确 定 . 回路 2 为感应 充 电回路 , 由变 压器 向高储 能 元件 2 持 续 充 电 , 充 电时 间与 回路 1 自激 振 荡 时 间 相 同 . 充 电的幅值 和 能量 由测量 的距 离和探 头 有效 负荷 决定 , 应 选 尽 可 能低 的 电压 幅 值 , 保 证 足 够 的驱 动 电压 即可 . 回路 3 为 高能放 电激励 单 元 , 开 关 2S 通 过 外 激 式 振荡 器 3 向探 头提 供持 续 的 能量 , 此 时激励 电压 为短 时可 控 的 高压 脉 冲 . 开 关 s2 可 以用 绝 缘场 效应 管 作为 开 关 , 利 用 电感 在 开关 瞬 间开合 的过 程 中 电流 保 持 不 变 的原 理 对 探 头进 行 高压 激 励 . 通 过调 整 电感 参 数及 控 制 信号 的 频 率 , 达 到探 头 的共 振 频率 . 电感 两端 激励 电压 可 以超 过 3的 V 以上 , 激 励 探头 后 振 幅可 达 1 5 0 V 左 右 . 回路 4 为信 号接 收 单元 , 开关 3S 采用 低 频 周 期工 作模 式 , 周 期性 地将 接 收信 号送 入放 大 处理 电路 . 控 制器 C 采 用 单 片机 控 制 单元 , 根 据采 集 回波 模拟 信 号的 幅值变 化 , 分 别 反馈控 制 三个 独 立 . 回 路 的开 关 . :.2 2 超 声 波 发射 和接 收 时 序分 析 超 声波 发射 和 接 收 时序 如 图 .2 在 时间 段 不开始 时 , sl 闭合 , 振 荡 回路 1 开 始 高频 振 荡 , 原边振 荡 电压 产生 的激 励信 号经 高 频变 压器 副 边 , 传递 给高 能储 能元件 2 , 经 过 时间 厂 , 高 能储 能元 件 充 电至 预 定值 . 充 电 电压 幅 值 与 能量 储 存单 元 的储 存 容量 是 由控 制 器 C 确 定 的 , 它 与 lS 闭合 的时 间成 正 比 . 当储 能 电压 达 到预 定 电压 时 , sl 断开 , 停止 振 荡 . 然 后 在 时间 五开 始 时 , s2 提 供一个 振 荡激 励 信 号 , 由储 能 元件 2 通 过 外激振 荡器 3 向探 头 提 供振 荡 能 量 , 发 射 时 间 为乙 , 激 励探 头 产生 超 声 波发 射 信 号 , 该 激 励频 率了与探 头 的 固有频 率 相 关 , 一般 在 声频 范 围 内 . 激励 的脉冲 数 目N 为 兀 · f 形成 稳定 的激励 后 , 有 一个 超声 波 的盲 区 等 待 时 间后 , lS 和 5 2 断 开 , 3S 闭合 , 在 预 定 的测量 时 间兀 内 , 接 收 电路 开始 接 收 回波信 号 . 当完成 信 号发 射 和接 收 处理 后 , 完 成一 次测 量 周 期 . 下 一 次 的循 环 周期 , 再 重新 发射 和 接收 信 号 . 图 2 中 , 高压 储 能元 件 可 以由 电感 、 电容或 其 他储 能 元件 组 成 . 开关 lS 的特 征 为高频 开关 元件 , 频 率 高低 的选 择 与 激励 的效率 、 激励 单 元 体积 有 关系 , 频率 越 高 , 则激励 单 元体积 越 小 . 开 关 5 2 的特 征 为 中频 开 关元 件 , 可 以根据 探 头 的 激 励 频 率 , 选择 5 2 的频 率值 , 一般 数 值选 择 在 该 探 头 的频 率值 附近 . 实践 中可 以灵 活地采 用 可控 硅 、 高速功 率三 极管 或场 效应 管 , 进 行激励 , 可 以 达 到预 期 的效 果 . 开关 s3 的特 征 为一 个低 频 开 关元 件 , 可 以采 用模 拟 开 关 , 控 制接 收 的 时 间和 接 收 的区 域 . 如 C D 4 0 “ , 由于 是低 频 工作 元件 , 不 会产 生 高频 电磁 干扰 , 因此接 收信 号 无杂 波和 电磁 噪声 的 干扰 . 本 设计 一 为三 路 隔离 的 电路 单元 组合 , 由于 放 电回路 1 可 以被 开关 彻底 停 止供 电 , 理 论上 回 路 1 和 回路 2 的 电噪声 为 “ 零 噪声 ” , 此 时 根据 控制 只ù工 汽ù、 、 ! tr

◆490 北京科技大学学报 2005年第4期 工程原理，一般称为前项通道沉默：当后项通道 在时间段T时，储能单元被充电，此时设充电回 开始在控制器的控制下，选择前项通道为“零噪 路为RC串联回路，其输入输出满足一阶系统的 声”区域，启动模数转换信号时，则探头的输入电 传输特性，其传递函数G)1+示，储能元件两端 噪声信号为零：理论上，此时只存在探头的机械 的储能设为U,则w(t1-em,其中T是电路的时 结构中的机械噪声和压电噪声，相比传统的电路 间常数，T=RC. 设计采用变压器通道连接，本发明采用完全开关 在时间段T时，设此时设储能元件为电感L 隔离电路的设计，基本消除了前项通道对后项通 向电阻、电容放电，其输入输出满足二阶系统的 道带来的电噪声， 三种不同频率的开关电路，实现了开关的分 传输特性，其传递函数为GS)s+250S+m 时操作，三个回路工作在不同的区间和不同的时 其中~√无6号√，则储能元件两端电压 间，真正实现了发射和接收信号的分区和分时工 (t)=o-Hoe i √2sin(oHo.其中oFw,V-子，p= 作的目标，这种电路的设计方式，最大程度地减 arctan(√1-1的，为基准电压， 小了不同频率段振荡信号对接收信号的电磁干 储能元件的储能容量与系统电压及该储能 扰影响.该方法从理论上保证了前端电源噪声， 元件物理特性有关.图3中，储能趋势曲线E表示 变压器噪声，储能元件充放电的噪声，对超声接 在不同的充电控制时间下储能元件的能量随系 收信号电路的“零”干扰. 统放电的周期变化而下降的过程，用“能量球”来 23外激振荡器的工作特性分析 表示.可以看出随时间的变化，“能量球”能量逐 外激振荡器3的作用相当于一个能量激发 步降低，经过一段的放电时间后，再由控制器C 器，通过周期振荡，将储能元件的能量瞬间释放 控制S1对“能量球”充电，以保持“能量球”的能 在探头两侧，从而在探头两端激励出比储能元件 量始终充足， 自身电压高3~5倍的脉冲电压.通常储能元件的 24低噪声接收电路的设计 周期振荡电压为几十伏到几百伏可调，脉冲在几 接收电路中，超声波系统模拟信号回波的质 十千赫到几百千赫之间，宽度为几百纳秒到几微 量主要取决于被测对象表面的密度、形状和距离 秒，产生出瞬间脉冲高压的幅值为几百伏到几千 等.尤其对量程较大的回波测量中，真实回波信 伏可调，脉冲的上升时间为几十纳秒.可以将这 号的幅值变化表现的较为强烈，并伴有大量的电 种脉冲能量的周期变化描述成一个“能量球”，该 干扰信号和外界回被干扰.因此接收电路的设计 “能量球”在起始充电的时间段T时，系统充电， 必须有较强的适应能力，和对干扰信号的抑制作 充电的能量服从一阶系统响应特性，此时系统的 用.适应能力表现在，当超声波回波信号的幅值 充电电压为(t):在时间段T到来时，系统电压被 经常发生很大变化的时候，传统的方法是采用可 激发到().系统能量E的衰减服从二阶振荡系 编程运算放大器，根据回波大小分级给出放大倍 统指数衰减规律.在下一个时间段，系统将在原 数，一般为10,100和1000倍三种，往往没有连续 来电压的基础上，被充电到新的电压，获得新的 可调的余地，而新设计的运用“能量球”连续调节 能量，开始下一轮的循环.本系统充放电频率对 激励电压的方法可以实现波信号幅值的连续调 同一个探头在整个时间段内保持不变.图3为外 节，如果再配合分级程控放大电路，则系统的调 激振荡器的储能单元的示意图. 节能力将极大地获得提高。 u(0· 电路连续激励“能量球”电压调节方法采用 单片机采样和监测回波电压幅值，作为确定调节 激励电压的依据.系统在保证尽可能采用低电压 激励，以及合理的程控放大倍数的设计前提下， 设计了一套单片机程序控制系统，通过控制反馈 回路的开关闭合时间，调节和修正储能元件的能 中T 量，从而改变探头的激励电压，动态控制输出脉 T 图3储能元件的能量球示意图 冲信号的幅值，使回波信号始终自动保持在一个 Fig.3 Schematic diagram of the energy ball 合理的范围内.在回波信号输入电路的输入端

一 4 9 0 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 5 年 第 4期 工程 原 理 , 一 般称 为 前项 通道 沉 默 ; 当后项 通道 开 始在 控制 器 的控 制 下 , 选择 前 项通 道 为 “ 零 噪 声 ” 区域 , 启 动模数 转 换信 号时 , 则探 头 的输 入 电 噪 声信 号 为零 ; 理 论 上 , 此 时只 存在 探 头 的机械 结构 中 的机 械 噪声和 压 电噪 声 , 相 比传 统 的 电路 设计 采用 变压器 通道 连接 , 本 发 明采用 完全 开 关 隔离 电路 的设计 , 基 本 消除 了前项 通道对 后 项通 道带 来 的 电噪声 . 三 种不 同频 率 的开 关 电路 , 实现 了开关 的分 时操作 , 三 个 回路工 作在 不 同的 区 间和不 同的时 间 , 真 正 实现 了发射 和接 收信 号 的分区和 分 时工 作 的 目标 , 这种 电路 的 设计 方式 , 最大 程度 地 减 小 了不 同频 率 段 振荡 信 号 对接 收 信 号 的 电磁 干 扰 影 响 . 该方 法 从 理论 上保 证 了前 端 电源 噪声 , 变 压 器噪 声 , 储 能元 件 充放 电的噪 声 , 对超 声 接 收 信 号 电路 的 “ 零 ” 干扰 . .2 3 外激 振荡 器 的工 作特 性 分析 外激 振 荡 器 3 的作 用相 当于 一 个 能量 激 发 器 , 通 过 周期 振 荡 , 将储 能 元件 的能量 瞬 间释 放 在探 头 两侧 , 从 而在探 头两 端激 励 出 比储 能元件 自身电压 高 3一5 倍 的脉冲 电压 . 通 常储 能元 件 的 周期 振 荡电压 为几 十伏 到几 百伏 可调 , 脉冲 在 几 十千 赫 到几 百千赫 之 间 , 宽度为 几 百纳 秒 到几微 秒 , 产 生 出瞬 间脉 冲 高压 的幅值 为几 百伏到 几千 伏可 调 , 脉 冲 的上升 时 间 为几十 纳秒 . 可 以将这 种脉 冲 能量 的周期变 化描 述成 一个 “ 能 量球 ” , 该 “ 能量球 ” 在起 始充 电的时 间段 兀 时 , 系 统充 电 , 充 电 的能量服 从一 阶系 统响 应特性 , 此 时系 统 的 充 电 电压 为 ul (t) ; 在 时 间段天 到来 时 , 系 统 电压被 激 发 到“ 2 ()t , 系 统 能量 E 的衰 减 服从 二 阶振 荡 系 统指 数 衰减 规律 . 在 下一 个 时间段 , 系 统将 在原 来 电压 的基 础上 , 被 充 电到新 的电压 , 获得 新 的 能量 , 开 始下 一 轮 的循环 . 本 系统充 放 电频 率对 同一个 探头 在整 个 时 间段 内保持 不变 . 图 3 为外 激 振荡 器 的储 能单 元 的示 意 图 . u ()t ` 在 时间 段不 时 , 储 能 单元 被 充 电 , 此 时设 充 电回 路 为 R C 串联 回路 , 其 输 入输 出满 足 一阶 系统 的 传 输特 性 , 其传 递 函 数 $(G = 节斗 石 , 储 能元 件两 端 ’ 可 , , , u ’ 山 ’ ~ ’ 咬 ~ 叫 ~ ~ w 了 1十 ST ” 川 门。 / 。 ” 犷勺 川“ 的储 能设 为 U , 则 u( )t 二 1一 e 一 爪 , 其 中 T是 电路 的时 间常 数 , T = R .C 在 时 间段 兀时 , 设此 时设 储 能元件 为电感 L 向 电阻 、 电容 放 电 , 其输 入 输 出满足 二 阶系 统 的 传 输特 性 , 其 传递 函 数为 其 中 (t)U 2 、 擂 各 竺 , , R 厂万 ` = 二犷 _ / ~ 万, ` V ` G⑧二不群不二 . 一 ` 乌 LU刃下田 n , 则储 能元 件 两端 电压 isn (。 +at 叻 . 其 中 。 二 。 。 万哥 , 价二 u Z ( t) 份: (t) 、 { 汗爪沐一资 一 ` 一爪、 、 _ _ } ; 「 { { 、 z , 了 州 \ / ` \ “ ` 知 ` _ 石 」 : 彗 l 匕 ; ( 川川 、 一 “ “ 一 “ ’ 一 八川{ : 。 产水)八} / l一 { 土{八 } · 、 、 厂 { 、 I / \ 夕 一 1 . 又 丈 l 又叮_ 鱼: 二 口兰 一 一~ 一 铸汁 - - 一不一 个: “ 扮 图 3 储能 元件 的能最球 示 意 图 iF .g 3 S e h e m a 柱e d i a g ar m o f th e e n . r盯 b a l ar c atn 时不矛6 , u 。 为基准 电压 . 储 能元 件 的储 能容 量 与 系 统 电 压及 该 储 能 元件 物理特 性 有关 . 图 3 中 , 储 能趋势 曲线 E 表 示 在 不 同 的充 电控 制 时 间下 储 能元 件 的 能量 随 系 统放 电 的周 期变 化而 下降 的过程 , 用 “ 能量球 ” 来 表 示 . 可 以看 出 随时 间 的变化 , “ 能量 球 ” 能量 逐 步 降低 , 经过 一 段 的放 电时 间后 , 再 由控 制器 C 控 制 sl 对 “ 能 量球 ” 充 电 , 以保 持 “ 能量球 ” 的 能 量 始 终充 足 . .2 4 低 噪 声接 收 电路 的设 计 接 收 电路 中 , 超 声波 系统 模拟 信 号回波 的质 量 主要 取决 于被 测对象 表 面的密 度 、 形状和 距 离 等 . 尤其 对 量程较 大 的 回波测 量 中 , 真 实 回波信 号 的幅值变 化表现 的较 为 强烈 , 并伴 有大量 的 电 干 扰信 号和 外界 回波干 扰 . 因此 接收 电路 的设计 必 须有 较强 的适应 能力 , 和 对干 扰信 号 的抑 制作 用 . 适应 能 力表现 在 , 当超 声波 回波 信 号 的幅值 经 常发 生很 大变化 的 时候 , 传统 的方 法是采用可 编 程运 算放 大器 , 根据 回波 大 小分级 给 出放 大倍 数 , 一般 为 10 , 10 和 1 0 0 倍三 种 , 往往 没有 连续 可 调 的余地 , 而 新设计 的运用 “ 能量球 ” 连 续调节 激 励 电压 的方 法可 以实 现波 信 号 幅值 的连续 调 节 , 如 果再 配合 分级 程控 放 大 电路 , 则 系统 的调 节 能力将 极大 地 获得提 高 . 电路连 续激 励 “ 能 量球 ” 电压调 节 方法 采用 单 片机 采样 和监测 回波 电压 幅值 , 作 为确 定调 节 激 励 电压 的依据 . 系 统在 保证尽 可能 采用低 电压 激 励 , 以及 合理 的程 控 放大 倍数 的 设计 前提 下 , 设计 了 一套 单 片机程序 控 制系统 , 通 过控 制反馈 回路 的开关 闭合 时 间 , 调 节和 修正 储 能元 件 的能 量 , 从 而 改变探 头 的激 励 电压 , 动 态控 制输 出脉 冲信 号 的幅值 , 使 回波信 号始 终 自动保持 在一 个 合 理 的范 围 内 . 在 回波 信 号输 入 电路 的输入 端 , 弓 一 一

Vol.27 No.4 陈先中等：低噪声回波测距系统的电路设计与系统分析 ·491· 增加了两个过压二极管保护电路，一方面防止过 由一元函数求极值原理可得算术平均值滤 电压对运放的冲击，另一方面控制器通过比较电 波公式： 路识别输入的电压.如果电压饱和，系统自动降 y=12x0 n 低激励电压；信号过弱，则系统自动增大激励电 当n较大时，平滑度高但灵敏度低：当n较小 压.整个过程配合程控运放工作，由控制器内部 时，平滑度低但灵敏度高.应根据测量经验、周围 的程序实现自动切换， 环境等具体情况选取n 智能化的控制程序一般可以保证系统在0~ 一般在超声波测距中，声波测量的间距时间 60的测量范围内自动识别回波，实现任意区间 较长，留给单片机足够的时间进行回波的分析和 内的自动量程转换，该测量电路不需要人为的改 计算，因此运用各种波形分析手段成为可能.波 变信噪比或者测量距离， 形分析法包括设置面积比较法、斜率法、信噪比 传统的抑制干扰的方法为运算放大器加滤 法等，以及其他快速和慢速的寻峰算法，可以对 波电路来调节信号并去除干扰，而新设计的“能 数字化的数据库波形进行时域和频域分析.算法 量球”电激励法本质上是一个低干扰的激励单 选择的依据是物位测量距离、物位变化速度、系 元，它的噪声只和充电元件自身的物理特性有 统响应速度和测量分辨率要求等， 关.同时由于系统“能量球”电压连续可调，因此 只需要采用两路运放设计、一级低噪声调理放大 3超声波测距实验 器和一级可编程放大器，减小了传统电路设计中 多运放环节带来的自身噪声， 设计的系统收发电路硬件包括：超声波换能 25回波软件的低噪声处理 器（探头）、低噪声信号发射电路、低噪声信号接 在回波等待过程中，会混入外界固有目标的 收电路、温度补偿电路、选择按钮以及显示部分 干扰，移动目标的周期和随机干扰，以及模拟电 等.整个电系统为低压供电方式，能耗低.控制部 路本身引入的干扰等.因此在数字化的回波数据 分采用单片机设计，电流输出为420A.系统原 库中，对杂散回波和电噪声信号，采用了以下分 理示意图如图4所示. 析措施：(1)数字滤波：(2)波形分析. 用示波器观察回波，发现该电路在信号输出 所谓数字滤波就是通过特定的程序以减少 端本底噪声相同条件下，噪声输出比传统的非隔 干扰信号在有用信号中的比重.对于数据库中明 离式电路减小一个数量级左右，理论上，测量信 显不合理的数据，则此数据可能是由于干扰造成 噪比提高10倍，测量范围可以提高10倍. 的.数字滤波的目的是去除尖峰干扰脉冲，设定 实测为020m的测量范围，采用示波器观察 回波本底数字阙值，去除小的电噪声干扰等，数 发现：采用该低噪声电路设计，不需要提高激励 字滤波与模拟滤波相比具有如下优点：(1)数字 电压，就可以获得很好的回波信号，尤其是对固 滤波由程序来实现，不需要增加硬件设备：(2)使 态物料表面的回波微弱信号问题，仍然具有较强 用灵活、方便，可根据需要选择不同的滤波方法， 按钮 温度测量 或改变滤波器的参数. 显示 数字滤波算法有许多种，如限幅滤波法、限 单片机 速滤波法、中值滤波法、算术平均值滤波法、加权 AWD转换 平均值滤波法、RC低通滤波法.在回波检测系统 中，采用了中值滤波和算术平均值滤波的低噪声 放大电路 处理方法，中值滤波法是对某一被测量参数连续 采样n次（一般n取奇数），然后把n个采样值从小 接收电路 发射电路 到大（或从大到小排队），取中值作为本次采样 值.根据得到的n次采样值X)(i=1,,n),求-一个 Y,使得Y与各采样值之间的偏差的平方和最小， /探头 此时所得值具有最小误差， 图4超声波测距系统结构示意图 E-min[Σ(Y-X)] Fig.4 Schematic diagram of the ultrasonic ranging system

物1 . 2 7 N o . 4 陈 先 中等 : 低 噪声 回波 测距 系 统 的 电路 设计 与 系统 分析 增加 了两 个过 压 二极 管保 护 电路 一方面 防 止过 电压 对运 放 的冲 击 , 另一 方 面控制 器 通过 比较 电 路 识别 输入 的 电压 . 如 果 电压 饱 和 , 系 统 自动 降 低激 励 电压 ; 信 号 过弱 , 则 系统 自动增 大激 励 电 压 . 整个 过程 配 合 程控 运放 工作 , 由控 制 器 内部 的程 序 实 现 自动 切换 . 智 能化 的控 制程 序 一 般可 以保 证 系统 在 O一 6 0 m 的测 量范 围 内 自动识 别 回波 , 实 现任 意 区 间 内的 自动 量程 转 换 . 该测 量 电路 不 需要人 为 的 改 变信 噪 比 或 者 测量 距 离 . 传 统 的抑 制 干 扰 的方 法 为运 算 放 大 器 加 滤 波 电路来 调 节信 号并 去 除干 扰 , 而新 设 计 的 “ 能 量球 ” 电激 励 法本 质 上 是 一 个 低干 扰 的激 励 单 元 , 它 的 噪 声 只和 充 电元 件 自身 的物 理 特 性 有 关 . 同时 由于 系 统 “ 能量 球 ” 电压 连 续可 调 , 因 此 只 需 要采 用两 路运 放 设计 、 一 级低 噪 声调 理放 大 器 和 一级 可编 程放 大器 , 减 小 了传 统 电路 设计 中 多运 放环 节 带来 的 自身 噪声 . 2 .5 回 波软 件 的低 噪 声处 理 在 回波 等待 过 程 中 , 会混 入 外 界 固有 目标 的 干 扰 , 移 动 目标 的周 期和 随 机干 扰 , 以及 模 拟 电 路 本身 引入 的干 扰 等 . 因 此 在数 字 化 的回波 数据 库 中 , 对 杂 散 回波和 电噪 声信 号 , 采用 了 以下分 析措 施 : ( l) 数 字 滤波 ; (2 )波 形 分析 . 所 谓数 字 滤 波 就 是 通 过 特 定 的程 序 以减 少 干扰 信 号在有 用信 号 中 的 比 重 . 对 于 数据 库 中 明 显不 合理 的数 据 , 则 此数 据可 能 是 由于干 扰造 成 的 . 数 字 滤波 的 目 的是 去 除尖 峰 干扰 脉 冲 , 设定 回波 本底 数 字 闽值 , 去 除 小 的 电噪声 干 扰等 . 数 字 滤 波 与模 拟滤 波 相 比具 有 如 下优 点 : ( l) 数 字 滤 波 由程 序 来 实现 , 不 需 要增 加硬 件 设 备 ; ( 2) 使 用 灵 活 、 方便 , 可 根据 需要 选 择不 同的滤 波 方法 , 或 改 变滤 波器 的参 数 . 数字 滤 波 算法 有 许 多种 , 如 限幅 滤波 法 、 限 速滤 波法 、 中值 滤波 法 、 算术 平均 值 滤波 法 、 加权 平均 值 滤波 法 、 R C 低通 滤 波 法 . 在 回波 检 测 系统 中 , 采用 了中值 滤波 和算 术平 均值 滤 波 的低 噪声 处理 方法 . 中值 滤波法 是对 某 一被 测量 参 数连 续 采样 n 次 ( 一般 n 取 奇数 ) , 然 后把 n 个 采 样值 从 小 到大 ( 或 从 大 到小 排 队 ) , 取 中值 作 为 本 次采 样 值 . 根据 得 到 的n 次采 样值双l’) ’(l = 1 , … , n) , 求 一个 Y , 使 得 Y 与各 采样 值 之 间 的偏 差 的平 方和 最 小 , 此 时所 得值 具有 最 小误 差 . 由 一元 函 数 求 极 值 原 理 可 得 算 术 平 均 值滤 波公 式 : 以全肺) 刀 行 l 当 n 较大 时 , 平滑 度 高但 灵敏 度低 ; 当n 较 小 时 , 平滑 度低 但 灵敏度 高 . 应 根据 测量 经验 、 周 围 环境 等 具 体情 况选 取 n . 一般 在超 声 波测 距 中 , 声波 测 量 的 间距 时间 较 长 , 留给 单片机 足 够 的时 间进行 回 波 的分析和 计 算 , 因此 运 用 各种 波 形分 析 手 段成 为可 能 . 波 形 分 析法 包 括 设置 面 积 比 较 法 、 斜 率 法 、 信 噪 比 法 等 , 以及 其 他 快速 和慢 速 的 寻 峰算 法 , 可 以对 数 字化 的数据 库波 形进 行 时域和 频 域分 析 . 算法 选 择 的依 据 是物 位 测 量距 离 、 物位 变化 速 度 、 系 统 响应 速 度 和测 量 分 辨率 要 求等 . 3 超 声 波 测 距 实 验 设 计 的系 统收 发 电路 硬件 包 括 : 超 声波 换 能 器 ( 探 头 ) 、 低 噪 声信 号发 射 电路 、 低 噪声 信 号接 收 电路 、 温度 补 偿 电路 、 选 择按 钮 以及 显 示 部分 等 . 整个 电系统 为低 压供 电方 式 , 能耗 低 . 控 制部 分采 用单 片机 设计 , 电流输 出为 4一2 0 m A . 系 统原 理示 意 图 如 图 4 所 示 . 用 示 波器 观 察 回波 , 发 现 该 电路在 信 号输 出 端 本 底 噪声相 同条 件 下 , 噪 声输 出 比传 统 的非 隔 离 式 电路减 小 一个 数 量 级左 右 . 理 论 上 , 测 量信 噪 比 提 高 10 倍 , 测量 范 围可 以提 高 10 倍 . 实测 为 O一2 0 m 的测 量范 围 , 采 用示 波器 观 察 发 现 : 采 用 该 低 噪声 电路 设计 , 不需 要提 高 激励 电压 , 就 可 以获得 很 好 的 回波信 号 . 尤其 是对 固 态 物料 表 面 的回波 微弱 信 号 问题 , 仍然 具有较 强 按钮 温度测量 户以D 转换 放大 电路 接收 电路 石为1 1 i n [艺( r 一爪i )) 2 ] 图 4 超声 波测距 系统 结构 示意 图 F ig . 4 S c h e m a it e d i a g ar m o f th e u l tar s o n i e ar . ig n g s y s t e m

·492· 北京科技大学学报 2005年第4期 的回波.当进一步加大测量距离，如0~40m和 能力强 0~60m时，由于系统本身信噪比较低，因此在系 统自身进行成10倍的增益时，回波信号仍然有 参考文献 足够的信噪比，距离显示正确.但必须注意的是， [1]Gillespie A B,Dighton MO.Pike R B,et al.A new ultrasonic 系统信噪比的成倍提高，并不能保证接收范围成 technigue for the measurement of liquid level.Ultrasonic, 1982,20:20 倍增加，因为存在探头本身的机械阻尼结构和接 [2】莫尔斯PM,英格特KU.理论声学（上册）.北京：北京科学 收电路自身的电噪声，该电路的设计，对60m以 出版社，1984.269 上的测距，还须加大激励能量和改变探头结构， [3]Cai CH.Regtien PPLA.Versatile ultrasonic ranging system. Sens Rev,.1993,13(1):22 4结论 [4]张鹏.一种超声波测距装置.中国专利，02270240.7.2003- 12-10 [5们马志敏.容器定点液位的超声波检测仪.中国专利，012 本系统已申请国家发明专利，并在燕京啤 52714.2002-08-28 酒，太原钢铁公司等工业现场得到了实际的应 [6]Kramer,Jonathan L.High efficiency wave generator.Interna- 用，应用结果表明，该系统在处理工业现场复杂 tional Publication Number:WO 00/27018 回波方面，接收电路信号表现十分稳定，抗干扰 [7刀张伯鹏，控制过程基础.北京：机械工业出版社1996.98 Design and analysis of the lower electronic noise circuit with a ultrasonic pulse echo ranging system CHEN Xianzhong,WANG Wei,ZHANG Zhen,CHENG Sushen 1)Information Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Metallurgical and Ecological Engineering School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT The basic parts of the distance measurement of a pulse echo system were described.The study of lower noise electronic circuits was emphasized in the ranging system.A new kind of emitting and receiving circuit was designed with an isolated switching circuit to form different switching times and isolated current circuits,and the routing of the electronic noise from the emitting circuit to the receiving circuit was totally isolated.The new prin- ciple of"energy ball"was proposed to increase the signal-to-noise ratio distinctly,and the ability of receiving echo signals is more stable in the normal power consumer.Also a software filter in the digital data base of the pulse echo was introduced in the application to intelligent noise reduction. KEY WORDS ultrasonic;energy ball;lower noise;transceiver circuit

. 4 9 2 · 北 京 科 技 大 学 学 报 20 0 5 年 第4 期 的回波 . 当进 一步 加大 测 量距 离 , 如 0一 40 m 和 O一6 O m 时 , 由于系 统 本身 信 噪 比 较低 , 因此 在 系 统 自身进 行 成 10 倍 的增益 时 , 回波 信 号仍 然有 足够 的信 噪 比 , 距 离显示 正确 . 但 必须注 意 的是 , 系统信 噪 比 的成 倍提 高 , 并不 能保 证接 收范 围成 倍 增加 , 因为存 在探头本 身 的机 械 阻尼 结构和 接 收 电路 自身 的 电噪声 . 该 电路 的设计 , 对 60 m 以 上 的测 距 , 还 须 加大 激励 能量 和 改变 探 头结 构 . 能 力强 . 参 考 文 献 4 结 论 本 系 统 已 申请 国 家发 明专 利 , 并在 燕 京 啤 酒 , 太 原 钢铁 公司 等工 业 现 场 得到 了实 际 的应 用 应 用 结果 表 明 , 该 系统 在 处理 工业 现场 复杂 回波方 面 , 接 收 电路 信 号表 现十 分稳 定 , 抗 干 扰 11 ] G il e s Pi e A B , D i ght on M () , p 议e R B , et a l . A n ew u l tr as o n i c te e hn iq u e of r hte m e as ure m e n t o f Iiq ul d I e v e l . U lt r a s o n i e , 19 8 2 , 2 0 : 2 0 冈 莫 尔斯 P M , 英格特 K U . 理 论声 学(上 册) 北京 : 北 京科学 出版社 , 198 4 . 2 6 9 [ 3 ] C a i C H . eR gt i e n p P L A . Ve rs at i l e u l tr as o n 三c r an g in g 盯ste m - S e n , R e v , 19 9 3 , 13 ( 1) : 2 2 4[ ] 张鹏 . 一种超声波 测距装置 . 中国专利 , 02 2 7 0 2 40 . 7 . 2 00 3 - 12 一 10 5[ 〕 马志敏 . 容 器定 点 液位 的超声波 检 测仪 . 中国专利 , 0 12 5 2 7 14 . 2 0 0 2 一 0 8 一 2 8 1 6 ] K淦即 力 e r, J o n al 山的 L . H ig h e伍e i e n卿 w va e g e ne r a t o r I n t e nr a - ti o n a l P u b li e at i o n N 山的 b e r : W O 0 02/ 70 18 l7[ 张伯 鹏 . 控 制过 程基础 . 北 京 : 机 械 工 业 出版 社 19 % . 98 D e s ig n an d an a l y s i s o f ht e l o w e r e l e e tr o n i e n o i s e e ir e u it w i ht a u ltr a s o n i e P u l s e e c h o anr g i n g s y s t e m O 吸认 r X沁 n z h o gn , ), 不例 N G 肠 i , , , 乙从咬人 了 G Z再e n l ), 〔法伍 W G S公s h en Z, l ) nI of mr iat 佣 E n g山 e c r川 9 S c ho l , U n i v e 招 i yt o f s e i enc 助d eT c b n o l o gy B e ij 吨 , B e ij 吨 10 0 0 83 , C h i n a 2 ) M e at ll u gr i c ia a n d 玫 o l o g i e ia E n g ine e r i n g S c h o o l , U n i v ers ity o f s c i en e e 朋 d eT e hn o l o gy B e ij in g , B e ij ing l o o 0 8 3 , C h in a A B S T R A C T hT e b as i e P art s o f th e id s t a n e e m e as ure m ent o f a P u l s e e e ho s y st e m w e r e d e s e ir b e d . hT e s tu dy o f l o w e r n o i s e e l e e tro n i e e ir c ul t s W a s e m P h as i z e d in ht e ran ig ng s y s t e m . A n e 、 v ik nd o f e m it in g an d re e e i v ing e irc ul t w a s de s ign e d iw ht an i s o lat e d s w it c hin g e irc u it t o fo rm d ifl 贻r e n t s iw tc h i n g t im e s an d i s o lat e d cure in e irc ult s , a n d ht e or ut ign o f het e l e c tr o in e no i s e for m het e m it ign c i r c u lt t o het er e e i v in g e ir e iut w as t o t a l ly i s o l at e d . hT e n e w p ir n - c iP l e o f ” en e r g y b al l , , w as P r o P o s e d ot in e r e a s e ht e s ign al 一 t o 一 n o i s e r iat o id s itn e t ly, an d het ab iliyt o f er e e i v ign e e h o s i gn a l s 1 5 m or e s t a b l e in ht e n o n n a l P o we r e osn um .er A l s o a s o ft w ar e if it e r in het id g it al d at a b as e o f het P u l s e e e h o w a s i n tr o d cu e d i n ht e a P Pli c a ti on t o i nt e l li g e nt n o i s e er du ict on . K E Y W O R D S u l tr as on i e : e n e r g y b a l l : l ow e r on i s e ; 仕 a n s c e i v e r e ir c u it